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Turbine de grenaillage pour haute vitesse de projection La présente invention concerne une turbine de projection centrifuge à haute performance du type utilisé dans les grenailleuses où elle projette des particules métalliques sur les surfaces à décaper ou à traiter en valeur de rugosité.
L'objet de l'invention consiste en un profil spécial d'aubage ou palette, capable de conférer aux grains la plus haute vitesse possible tout en maintenant un diamètre et une vitesse de rotation nettement plus faibles qu'avec les aubages droits.
L'innovation de cet aubage se situe à deux niveaux : 1. au niveau de la prise en charge initiale des grains.
2. au niveau de la vitesse d'éjection résultante.
Dans l'état actuel des turbines centrifuges de projection, le principal avantage des turbines de grenaillage projetant les grains par l'action centrifuge est la faible consommation d'énergie par rapport au système à air comprimé détendu avec injection de grenaille, à performance de production
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égale évidemment.
Une busette de projection à air détendu de 10 mm de diamètre nécessite un compresseur de 60 CV, alors qu'une turbine de projection effectue le même travail avec seulement 4 CV installés à la broche.
Les turbines à aubages droits prennent en charge la grenaille, qui sort du distributeur avec un choc assez violent, capable même de casser la grenaille d'acier, très fragile pour les hautes duretés.
Une turbine de grenaillage suivant l'invention est caractérisée en ce qu'elle est équipée de palettes ou d'aubages en matériau anti-usure à profil en long concave et circulaire, dont la surface de prise en charge initiale fait un angle inférieur à 900 avec la tangente et dont le bord d'éjection fait un angle de 00 à 60 par rapport à une radiale passant par le sommet de ce bord.
L'invention est décrite maintenant avec plus de détails sur la base des dessins annexés, à titre d'exemples uniquement, montrant en : Figure l une demi coupe schématique dans une turbine à aubages droits courante réalisant une prise en charge avec choc initial ; Figure 2 le profil en long de la face active suivant l'invention, dont les aubages présentent une surface concave, avec prise en charge correcte ; Figure 2A une vue agrandie au niveau de la prise en charge, soit au rayon ri ;
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Figure 3 le profil en long de la face active suivant l'invention à profil d'aubage circulaire avec une haute vitesse d'éjection résultante ;
Figures 4 et 5 respectivement une vue de face d'une turbine suivant l'invention à. quatre aubages et une coupe par 5-5 de figure 4, les aubages étant attenants au flasque d'entrainement ; Figures 6 et 7 respectivement une vue de profil et une vue de face d'une variante de réalisation d'aubage suivant l'invention, les aubages étant démontables et maintenus entre deux flasques, dont l'un est le flasque d'entrainement ; Figures 8 à 10 respectivement une vue de profil, une vue de face et une coupe par 10 - 10 de figure 8 d'une autre disposition d'aubage sans nervure dorsale.
Pour les grenailles fragiles, utilisées pour des applications de grenaillage de surfaces difficiles, telles que les cylindres de laminoir par exemple, il est important de prendre la grenaille en charge de la façon la plus douce possible, sans choc, afin de préserver la grenaille et d'éviter de la casser.
Comme on le voit en figure l les palettes droites l ou même convexes réalisées actuellement ont tendance à briser la grenaille à l'entrée. Par contre, les surfaces concaves l', telles que celles reprises au croquis de la figure 2, diminuent fortement l'effet de choc et permettent donc d'éviter le bris de la grenaille dès la prise en charge.
A la sortie du distributeur, la grenaille possède
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une vitesse faible, dont la direction est celle indiquée par le vecteur B de la figure 2. Le vecteur A, perpendiculaire au rayon r, indique la vitesse du point matériel du pied de l'aubage.
La figure 2A montre, de façon agrandie, les vecteurs vitesses A et B au rayon r.
Une prise en charge douce de la grenaille est impérative pour les petites turbines, qui doivent tourner très vite pour atteindre une vitesse d'éjection résultante suffisamment élevée.
Contrairement à ce qui a déjà été fait, il ne s'agit pas de faire une surface de début d'impact parallèle au vecteur vitesse de la grenaille à la sortie du distributeur, vecteur B, mais bien de faire une surface de prise en charge aussi proche que possible de la direction opposée au vecteur vitesse à ce niveau de diamètre.
Certains constructeurs ont mis le bord d'attaque de l'aubage tangent au vecteur B, ce qui est une erreur fondamentale pour une prise en charge correcte de la grenaille. On obtient ainsi le profil 1"en pointillé (figures 2 et 2A), profil où la prise en charge initiale des grenailles est très mauvaise.
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Ce profil 1"réduit fortement la prise en charge, ce qui entraîne une diminution du débit admissible par cette turbine. En effet, ce type de profil rejette une partie de la grenaille vers le centre empêchant ainsi sa prise en charge.
Il est donc nécessaire que la tangente à la surface du bord initial de prise en charge soit le plus proche
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possible en angle de la direction du vecteur B, vecteur vitesse de la grenaille à la sortie du distributeur.
Evidemment, il n'est pas possible de placer le bord d'attaque de l'aubage dans le prolongement du vecteur B (ou A d'ailleurs), car le. bord d'attaque a une épaisseur qui empêche ces directions de coincider.
Ceci dit, il est utile que le bord d'attaque soit le plus proche de cette direction, tenant compte de l'épaisseur.
L'angle entre la tangente au bord initial et la direction A, soit , doit être inférieur ou égal à 45 si l'on veut obtenir une prise en charge douce.
Un angle de prise en charge nul est évidemment l'idéal.
En ce qui concerne le profil de l'aubage proprement dit, il est conçu suivant l'invention de manière à éjecter la grenaille avec une vitesse résultante aussi haute que possible, pour une vitesse de rotation la plus faible possible.
En d'autres termes, pour que la vitesse résultante VR (figure 3) soit maximale pour une vitesse
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tangentielle fixée (donc tu fixé puisque Vt = IJJ. r ; 2., U en rad/sec) il faut que l'angle Y (angle que fait le bord d'éjection 2 par rapport à une radiale passant par le sommet de ce bord) soit compris entre 00 et 600, et ce en fonction du type de grenaille utilisée.
L'angle Y est fixé par la vitesse à obtenir en fonction de N tr/min, mais aussi en fonction du degré d'usure admissible des aubages. Il est évident que des angles'6 élevés provoquent des usures beaucoup
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plus fortes et exigent la mise en oeuvre d'aubages à très haute dureté.
La vitesse relative Vr combinée avec la vitesse Vt donne la vitesse résultante VR. Quand l'angle (5' augmente, la vitesse relative'Vr diminue mais la composition des deux vitesses peut donner une vitesse résultante VR plus élevée, à vitesse de rotation N tr/min égale. En fonction des grenailles projetées, cet angle optimum varie de 00 à 600. En-dessous ou au-dessus de cette valeur, la composition des deux vitesses Vt et Vr donne une vitesse résultante plus faible à vitesse de rotation N égale.
Le profil de cette aubage est circulaire ; le rayon de courbure sera choisi en fonction des dimensions
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r, 4 et ra de la turbine pour arriver à l'angle'0 désiré. Choisir un profil circulaire aboutissant
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N à un meilleur ratio VR est indispensable pour
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certaines applications de grenaillage. En effet, pour une petite turbine, le gain de vitesse VR pour une vitesse de rotation donnée est important, sinon il faut tourner à des vitesses très grandes (+ 20 %) pour atteindre le même résultat.
De même, en grenaillage de cylindres de laminoir, la tendance est d'augmenter la dureté des tables de cylindres pour mieux résister à l'usure. Par voie de conséquence, le grenaillage des cylindres devient de plus en plus difficile, voire impossible.
La solution consiste aussi à tourner plus vite pour atteindre une vitesse plus haute, mais il faut éviter de casser les grains à l'entrée, lors de la prise en charge initiale. De plus, l'augmentation de la
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vitesse entraine un accroissement des forces de balourds proportionnel au carré de la vitesse de rotation.
La conception de la turbine suivant l'invention a permis de construire des machines de grenaillage miniatures à turbine, manoeuvrables manuellement. La performance de ce type de turbines'permet donc de construire des machines de grenaillage à turbine portative mais aussi de construire des turbines de grenaillage nécessitant de très hautes vitesses de projection, telles que celles utilisées dans les grenailleuses de cylindres de laminoir. Ces turbines peuvent également être utilisées dans le grenaillage de contrainte ou"shot peening", où les grandes vitesses de projection sont souvent nécessaires.
Les figures 4 et 5 montrent une réalisation de ce type de turbine avec quatre aubages, respectant les conditions de performances préconisées, pour un type de grenaille angulaire choisi.
Les aubages l'de cette réalisation font partie intégrante du flasque d'entraînement 3 (figures 4, 5).
Une autre réalisation d'aubage l'suivant l'invention est celui repris aux figures 6, 7, où le trou 4 et la découpe 5 dans là nervure 6 servent à la fixation de l'aubage. On voit sur la face active 7 la prise en charge initiale 8. Une autre disposition d'aubage est représentée aux figures 8 à 10. La face active l'est indiquée. Cet aubage n'est pas pourvu d'une nervure dorsale. Les deux tenons 9 servent à la fixation de l'aubage dans les deux flasques.
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Pour augmenter l'agressivité de la projection, il est utile de faire un canal, dont la largeur décroît en fonction de l'augmentation de rayon. Une deuxième solution est de faire un canal, dont le profil en travers soit légèrement courbé. Cette façon de construire l'aubage concentre la grenaille au centre, juste au moment de l'éjection.
Les aubages ou palettes suivant l'invention sont réalisés dans un matériau très dur anti-usure, tel que le carbure de tungstène ou tout autre matériau anti-usure plus ou moins performant.
La turbine peut être coulée d'une seule pièce avec les aubages incorporés et d'un seul tenant. Elle peut également présenter un nombre différent d'aubages pair ou impair.
Bien entendu, on ne sortirait pas du domaine de l'invention en réalisant des aubages ayant une forme active telle que revendiquée mais dont le mode de fixation et/ou la forme extérieure seraient différents.
Seule la face active est importante.
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The present invention relates to a high performance centrifugal projection turbine of the type used in shot blasting machines where it projects metallic particles onto the surfaces to be stripped or treated in terms of roughness value.
The object of the invention consists of a special blade profile or pallet, capable of giving the grains the highest possible speed while maintaining a diameter and a rotation speed clearly lower than with straight blades.
The innovation of this blading is at two levels: 1. at the level of the initial management of the grains.
2. at the resulting ejection speed.
In the current state of centrifugal projection turbines, the main advantage of shot blasting turbines projecting grains by centrifugal action is the low energy consumption compared to the compressed air system with shot injection, with production performance.
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obviously equal.
A 10 mm diameter expanded air projection nozzle requires a 60 CV compressor, while a projection turbine does the same job with only 4 CV installed on the spindle.
The turbines with straight blades take charge of the shot, which leaves the distributor with a fairly violent shock, capable even of breaking the steel shot, very fragile for high hardnesses.
A blasting turbine according to the invention is characterized in that it is equipped with vanes or blades made of anti-wear material with a long concave and circular profile, the initial support surface of which makes an angle less than 900 with the tangent and whose ejection edge makes an angle of 00 to 60 with respect to a radial passing through the top of this edge.
The invention is now described in more detail on the basis of the appended drawings, by way of examples only, showing in: Figure l a schematic half section in a current straight blade turbine carrying out initial shock absorption; Figure 2 the longitudinal profile of the active face according to the invention, the blades of which have a concave surface, with correct support; Figure 2A an enlarged view at the level of support, or to the radius ri;
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Figure 3 the longitudinal profile of the active face according to the invention with circular blade profile with a high ejection speed resulting;
Figures 4 and 5 respectively a front view of a turbine according to the invention. four blades and a section through 5-5 in Figure 4, the blades being adjacent to the drive flange; Figures 6 and 7 respectively a side view and a front view of an alternative embodiment of blade according to the invention, the blades being removable and held between two flanges, one of which is the drive flange; Figures 8 to 10 respectively a side view, a front view and a section through 10 - 10 of Figure 8 of another blade arrangement without dorsal rib.
For fragile shot, used for blasting applications on difficult surfaces, such as rolling mill rolls for example, it is important to take care of the shot in the softest possible way, without shock, in order to preserve the shot and to avoid breaking it.
As can be seen in FIG. 1, the right or even convex pallets currently produced tend to break the shot at the entrance. On the other hand, the concave surfaces l ', such as those shown in the sketch of FIG. 2, greatly reduce the impact effect and therefore make it possible to avoid the breakage of the shot as soon as it is taken over.
At the exit of the distributor, the shot has
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a low speed, the direction of which is that indicated by the vector B in FIG. 2. The vector A, perpendicular to the radius r, indicates the speed of the material point of the foot of the blading.
FIG. 2A shows, in an enlarged manner, the speed vectors A and B at radius r.
A gentle handling of the shot is imperative for small turbines, which must turn very quickly to achieve a sufficiently high resulting ejection speed.
Contrary to what has already been done, it is not a question of making an impact start surface parallel to the speed vector of the shot at the outlet of the distributor, vector B, but rather of making a support surface. as close as possible to the direction opposite the velocity vector at this level of diameter.
Some manufacturers have put the leading edge of the blade tangent to vector B, which is a fundamental error for correct handling of shot. This gives the 1 "dotted profile (Figures 2 and 2A), a profile where the initial take-up of shot is very poor.
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This 1 "profile greatly reduces the take-up, which leads to a reduction in the admissible flow rate by this turbine. Indeed, this type of profile rejects part of the shot towards the center thus preventing its take-up.
It is therefore necessary that the tangent to the surface of the initial support edge is the closest
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possible in angle of the direction of vector B, speed vector of the shot at the outlet of the distributor.
Obviously, it is not possible to place the leading edge of the blading in the extension of the vector B (or A for that matter), because the. leading edge has a thickness which prevents these directions from coinciding.
That said, it is useful that the leading edge is closest to this direction, taking into account the thickness.
The angle between the tangent at the initial edge and the direction A, that is, must be less than or equal to 45 if one wants to obtain a soft support.
A zero support angle is obviously ideal.
With regard to the profile of the actual blade, it is designed according to the invention so as to eject the shot with a resulting speed as high as possible, for the lowest possible speed of rotation.
In other words, so that the resulting speed VR (FIG. 3) is maximum for a speed
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tangential fixed (so you fixed since Vt = IJJ. r; 2., U in rad / sec) it is necessary that the angle Y (angle made by the ejection edge 2 relative to a radial passing through the vertex of this edge) is between 00 and 600, depending on the type of shot used.
The angle Y is fixed by the speed to be obtained as a function of N rpm, but also as a function of the admissible degree of wear of the blades. It is obvious that high angles' 6 cause a lot of wear
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stronger and require the use of very high hardness blades.
The relative speed Vr combined with the speed Vt gives the resulting speed VR. When the angle (5 ′ increases, the relative speed ′ Vr decreases but the composition of the two speeds can give a higher resulting speed VR, at a rotational speed N rpm equal. Depending on the shot projected, this optimum angle varies from 00 to 600. Below or above this value, the composition of the two speeds Vt and Vr gives a lower resulting speed at an equal rotation speed N.
The profile of this blade is circular; the radius of curvature will be chosen according to the dimensions
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r, 4 and ra of the turbine to arrive at the desired angle'0. Choose a circular profile leading
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N at a better VR ratio is essential for
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some shot blasting applications. Indeed, for a small turbine, the speed gain VR for a given rotation speed is significant, otherwise it is necessary to turn at very high speeds (+ 20%) to achieve the same result.
Likewise, in shot peening of rolling mill rolls, the tendency is to increase the hardness of the roll tables to better resist wear. As a result, shot peening of the cylinders becomes increasingly difficult, if not impossible.
The solution also consists in turning faster to reach a higher speed, but it is necessary to avoid breaking the grains at the entrance, during the initial treatment. In addition, the increase in
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speed causes an increase in the unbalance forces proportional to the square of the speed of rotation.
The design of the turbine according to the invention made it possible to build miniature shot blasting machines with a turbine, which can be operated manually. The performance of this type of turbine therefore makes it possible to build shot blasting machines with a portable turbine but also to build shot blasting turbines requiring very high spraying speeds, such as those used in shot blasting machines for rolling mill rolls. These turbines can also be used in shot peening, where high projection speeds are often necessary.
Figures 4 and 5 show an embodiment of this type of turbine with four blades, meeting the performance conditions recommended, for a type of angular shot chosen.
The blades of this embodiment are an integral part of the drive flange 3 (Figures 4, 5).
Another embodiment of blading according to the invention is that shown in Figures 6, 7, where the hole 4 and the cutout 5 in the rib 6 are used for fixing the blading. We see on the active face 7 the initial treatment 8. Another blade arrangement is shown in Figures 8 to 10. The active face is indicated. This blading is not provided with a dorsal rib. The two pins 9 are used for fixing the blading in the two flanges.
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To increase the aggressiveness of the projection, it is useful to make a channel, the width of which decreases as the radius increases. A second solution is to make a channel, the cross section of which is slightly curved. This method of blading concentrates the shot in the center, just at the time of ejection.
The blades or vanes according to the invention are made of a very hard anti-wear material, such as tungsten carbide or any other more or less efficient anti-wear material.
The turbine can be cast in one piece with the blades incorporated and in one piece. It can also have a different number of even or odd blades.
Of course, it would not go beyond the scope of the invention to produce blades having an active form as claimed but whose method of attachment and / or the external form would be different.
Only the active side is important.